基于相變材料和液體換熱的鋰電池熱管理系統設計

孔得朋， 杜 金， 平 平

（中國石油大學（華東）a.海洋油氣裝備及安全技術研究中心；b.化學工程學院，山東青島266580）

0 引 言

鋰離子電池具有比能量高、循環壽命長、環境污染小等卓越性能，目前已在便攜式電子設備領域成為主導電源，并在新能源電動汽車與儲能領域擁有廣闊的應用前景［1］。溫度是影響鋰離子電池性能的重要因素［2］，過高或過低的溫度均會影響電池的性能，縮短使用壽命，甚至引發安全事故。因此，有必要采用合理的電池熱管理系統對電池工作溫度加以控制，從而提高工作效率，保障其安全性。常見的鋰電池熱管理系統分為被動散熱、主動散熱、被動保溫、主動加熱等方式［3-14］。大部分熱管理系統只能應對高溫或低溫中的一種工況，無法兼顧不同環境溫度，并且功耗較大，監控狀態復雜［15-16］。為使鋰電池熱管理系統適應不同環境溫度，同時降低功耗，本文設計了一種基于相變材料（PCM）和液體換熱的低功耗鋰電池熱管理系統。

1 工作原理及硬件設計

圖1 為熱管理系統的結構框圖，主要由溫度監測、溫度控制、控制器等部分組成。溫度監測模塊采集電池組內單體電池、相變材料、換熱液體以及外界環境等的溫度信息，并將數據集中傳輸至控制器，是整個系統的信息輸入口；控制器模塊接收來自傳感器的溫度等信息，當溫度值超過閾值時發出指令，控制溫控模塊對電池組進行溫度調整；溫度控制模塊由換熱液體、制冷及加熱組件、散熱金屬管、冷卻風扇等組成。該模塊通過PCM儲能和液體換熱的方式對電池組的溫度進行調整，使電池組處于合理的工作溫度區間，從而提高充放電效率，延長使用壽命。

圖1 鋰離子電池熱管理系統結構框圖

1.1 溫度監測模塊

目前常用的溫度傳感器主要有熱電偶傳感器、熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和集成電路熱敏傳感器。鋰電池組的溫度監測需要準確快速地獲取電池組各處的實時溫度，因此，鋰電池組的溫度監測需要一種體積小巧、測量準確快速、工作時間長、不易損壞的溫度傳感器。熱敏電阻傳感器的測量精度較高且體積小巧，控制方式簡單，具有較好的線性且重復度優異，其工作范圍在-100 ～450 ℃，適合長期布設于電池組內部。本系統中，熱敏電阻選用100 kΩ，精度±1%，B 值為3 950 的NTC熱敏電阻，熱敏電阻的溫度

式中：Rt為熱敏電阻在某溫度（T1）下的阻值；R 為熱敏電阻在常溫（T2＝25 ℃）下的標稱阻值；B 值為負溫度系數熱敏電阻器的熱敏常數。

熱敏電阻的數量可根據電池組的規模調整。本系統使用4S3P 的鋰電池組進行搭建，通過調整熱敏電阻的數量和位置，使用最少數量的熱敏電阻監測電池組整體溫度。熱敏電阻分布如表1 和圖2 所示。

1.2 溫度控制模塊

為實現不同溫度環境下調整電池組溫度的功能，熱管理系統需同時具有冷卻和加熱功能。因此，溫度控制模塊選用帕爾貼和陶瓷加熱片對換熱液體進行加熱和冷卻。帕爾貼片的基本工作原理為溫差電效應。帕爾貼片與陶瓷加熱片通過PWM 轉電壓模塊與控制器相連，使用頻率為0 ～20 kHz的PWM信號源控制輸出DC 0 ～400 W 的實時功率?？刂破髯x取熱敏電阻溫度數據并計算控制帕爾貼與陶瓷加熱片需要輸出的實時功率。系統中的水泵采用相同的方式與控制器相連。

為降低液體循環的功耗，同時保證循環系統的換熱能力并減少電池溫度波動，采用PCM與液體換熱耦合的熱管理結構，熱管理系統的結構如圖3 所示。該結構通過PCM在其相變溫度點附近吸收大量熱量的同時，維持溫度穩定的特性和液體換熱方式能夠迅速釋放熱量的特性，保證電池組溫度處于合理范圍并且不發生劇烈波動，同時降低能量消耗，提高溫度均一性。串聯連接的4 組電池的間距為3 mm，并聯連接的3 組電池的間距為10 mm，散熱金屬管的外徑為8 mm，壁厚0.5 mm。電池與電池之間填充相變材料，相變材料內部鋪設金屬散熱管，散熱管呈S 型或U型分布環繞電池。電池組處于常溫或高溫環境中，溫度升高時，PCM在前期吸收絕大部分熱量，當PCM 潛熱耗盡，液體換熱及制冷啟動，將熱量釋放至外界環境，從而恢復PCM潛熱，使其能夠繼續維持電池組溫度。電池組處于低溫環境中，溫度較低時（＜10 ℃），液體換熱及加熱以較低功率運行，以提高PCM 及電池組溫度，避免低溫造成的電池組容量及壽命衰減。

表1 熱敏電阻位置及數量分布表

圖2 熱敏電阻分布位置示意圖

圖3 PCM液管耦合結構示意圖

為提高溫度控制模塊的換熱效率，采用傳熱效率高、成本低的乙二醇水溶液，50%濃度的水溶液在40℃時的比熱為3.358 kJ／（kg·K）。散熱金屬管材質選用耐腐蝕、易加工、熱導率高的純鋁，其導熱系數為217.7 W／mK。

1.3 控制器模塊

控制器模塊是整個鋰電池熱管理系統的核心組件，電池組工作時的運行數據匯總至控制器進行分析，并控制相應模塊，維持電池組溫度。本系統中，選用ATmega2560 主控芯片，該芯片可提供54 路數字輸入／輸出端口（其中15 個可以作為PWM輸出），16 路模擬輸入端口，4 路UART 串口，具有成本低，擴展性強的優點。

控制器模塊及其組件的連接示意如圖4 所示?？刂破髯x取模擬量溫度信號，判斷電池組溫度是否需要調整，通過PWM 轉電壓模塊將模擬量控制信號轉換為電壓信號，控制水泵，加熱器和制冷器的運行。水泵、水箱、散熱器、金屬管等通過軟管連接，形成液體循環的回路，直接調整電池組的工作溫度。

圖4 熱管理系統結構組成及連接示意圖

2 系統軟件設計

2.1 控制器工作邏輯

熱管理系統控制器的工作邏輯如圖5 所示。

圖5 控制器工作邏輯圖

系統啟動，讀取各點溫度及環境溫度Tatm，計算電池組平均溫度Tave，判斷電池組所處的溫度環境。當設備處于低溫環境時，啟動液體換熱對電池組進行預熱，將電池組預熱至合適溫度T正常。當設備處于常溫或高溫環境時，控制器監測電池組各點溫度，一旦超過PCM相變溫度T臨界時液體換熱啟動，將相變材料儲存的熱量傳遞至外界環境，恢復PCM潛熱。系統運行過程中，控制器持續采集電池組各點溫度信息，用于換熱液體的控制，形成一個閉環系統。

2.2 溫度監測與控制

根據熱敏電阻的測溫公式編寫測溫程序，測溫程序每秒采集一次溫度數據，每次采集12 組，同步采集電池組、環境及換熱液體的溫度。根據鋰電池組充放電過程中溫度及電壓的變化特征編寫控制帕爾貼片、陶瓷加熱片、水泵的控制代碼。用于獲取電池表面溫度測點的程序為：

圖6 為使用LabVIEW 編寫的串口通信程序?？刂破魍ㄟ^串口通信的方式與計算機進行數據交互，控制器定時向上位機輸送數據，將電池組各點溫度實時顯示在上位機軟件中。圖7 為電池熱管理系統上位機軟件。上位機軟件可實時觀察電池組充放電過程中的溫度變化趨勢，并對溫度數據進行保存便于后續分析。

圖6 LabVIEW串口通信程序框圖

圖7 熱管理系統上位機軟件界面

3 測試結果與討論

為驗證該熱管理系統的效果，使用電池充放電循環儀對電池組進行充放電循環測試，圖8 為鋰電池熱管理系統測試平臺。在10、20、40 ℃的環境溫度下，使用0.5C／3C 的充放電倍率對電池組進行循環測試。為模擬實際使用環境，測試前將電池組置于恒溫箱中，使電池組整體溫度接近設定環境溫度后開始測試。

圖8 熱管理系統測試平臺

圖9 所示為不同環境溫度下電池組的充放電循環溫度曲線。由圖9 可知，當環境溫度為10 ℃時，為提高電池的放電效率，熱管理系統會在第1 次循環的放電階段對電池進行預熱。從溫度曲線中可以觀察到，電池組溫度從10 ℃升高至20 ℃時的溫升速率較高，且電池組溫度一致性較好。隨后兩次循環測試中電池組最低溫度為20.3 ℃，處于電池的正常工作溫度范圍內。由于PCM的儲能作用，加熱器前期釋放的熱量足夠維持電池組的正常工作溫度，無需額外消耗能量，以達到降低功耗的效果。

當環境溫度為20 ℃時，電池組的最高溫度為37.8℃，最低溫度為22.8 ℃，除電池組正常充放電的溫度波動外，未出現溫度異常情況。測試結果證明當電池組處于低溫或常溫環境中時，PCM 液體換熱耦合的熱管理結構能夠將電池組溫度維持在20 ～40 ℃的合理溫度區間，并提供較好的熱管理效果。

圖9 電池組循環溫度及液體流量曲線

當環境溫度為40 ℃時，電池組的第1 次循環測試中出現溫度超過40 ℃的情況，其主要原因為循環前電池組溫度已經接近40 ℃，PCM的潛熱在測試前耗盡，導致無法進一步吸收熱量，從而導致溫度超高。系統啟動后，檢測到溫度較高，液體換熱隨之啟動，釋放PCM潛熱，第1 次循環測試結束前電池組溫度下降至正常水平。隨后的兩次循環測試中，電池組溫度均未超過40 ℃，測試結果證明本系統在高溫環境中同樣能夠提供較好的熱管理效果。

4 結 語

針對鋰離子電池在極端溫度下容易引發電池性能衰退，甚至導致熱失控的問題，設計了用于多溫度環境下的電池熱管理系統。該系統采用PCM 液管耦合的主被動熱管理結構，實現了對鋰電池組的溫度控制。電池組循環充放電測試證明該系統能夠有效地的對電池組進行熱管理，減小電池的溫度波動，同時具有體積較小、工作效率高、可擴展性強的優勢。